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摘要：本文针对大型老商业建筑空调系统能耗的特点，以某商厦空调系统的节能改造为例，通过减少风机水泵电耗、充分利用自然冷源、改善气流组织、采取分项计量改善管理等多项措施的实践，验证了对该类建筑空调系统进行节能改造的节能意义。
关键字：大型商业建筑，空调系统，分项计量系统，节能改造
中图分类号： TU831文献标识码：A
概述
笔者以某商厦空调系统改造工程为例，对该类建筑的空调改造的节能意义进行分析说明。商厦为1996年投入使用的大型综合性商场建筑，该建筑空调系统为典型的夏季供冷冬季供热设计，冷源为3台额定制冷量为1300KW的离心式冷水机组，热源为3台额定制热量为296KW的电热式热水锅炉，均采用低速大风管空调系统；
空调系统存在的主要问题
冷水机组、空调风机和水泵等设备的运行、维护不利，导致设备的效能大幅下降；
在过渡季和冬季营业区温度明显偏高，冬季有时非但不需供热，反而需要制冷；
以上问题造成冷水机组年运行时间长，系统的运营成本逐年升高，电能浪费极其严重；
空调系统节能改造措施
由于受到投资规模限制，此次改造基本不对冷热源设备进行较大调整，而是对冷热源设备工况进行优化。重点是对系统的管路及末端设备进行改造，同时增加相应的控制系统，具体措施如下：
1、对大型用电设备采用分项计量系统
本工程分项计量表具设计采用星型结构与6块数据转换网关相连，并将采集数据实时传输到数据采集中心，网络结构如图一。根据本工程主要空调系统设备的配置、服务区域和供配电回路的情况，将重点耗能对象进行归类，并为每台重点耗能设备对应安装计量电表，分项计量如表一：
监控对象 电表
数量 监控对象 电表
数量
冷水机组 3 排风机 4
冷却、冷冻
水泵 8 冷却塔
风机 1
电锅炉 3 空调箱 10
合计 29
图一：设备分项计量系统网络结构图表一：天山商厦空调设备分项计量明细表
通过该套计量系统的安装，远端客户可随时通过Internet访问数据中心，通过对实时数据的分析不仅可以随时发现建筑中突然出现的用能问题，而且可以捕捉到人工难以察觉的异常能耗问题，从而改善用能效率。
2、 应用交流变频控制技术降低空调动力设备能耗
大型商业建筑空调系统，随季节变化的冷热负荷与最大设计供冷热量存在着很大的差异，系统各部分80%以上时间是运行在非满载额定状态。应用交流变频技术对中央空调的末端空调风机箱、冷冻水泵等进行控制，从而使空调各子系统负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，从而改善空调的舒适性，更能到达节约大量电能，降低设备运行费用的目的。
2.1楼层中央空调风机的变频控制实施
在某商厦空调改造项目中，限于项目投资规模，一期改造先对楼层中央空调机组实施交流变频控制。商厦1～4层设计仍采用低速大风管全空气空调系统，每层东西两侧各为一个空调区域，所有8台空调机组均为变频控制。
工程采用美国江森的Metasys楼宇控制系统对中央空调机组进行控制，详细控制原理及流程[2]笔者不再敖述。经过对空调机组的变频控制，通过分项计量系统采集到的商场冬季典型日下午2点的实测数据，以4层为例，如下表二所示：
表二：商厦冬季典型日4层空调机组实际运行数据表
设备所处位置 电机原始运行频率(Hz) 电机实际运行频率(Hz) 额定功率（KW)) 实际运行功率（KW) 换气次数 实测室外温度(度) 实测营业区
温度(度)
四层西 50 30 30 8 6.1 3.2
23.3
四层东 50 46.4 30 24 9.4 23.2
结合下图二可以看出，4层东、西区室内温度基本相同，但东侧空调机组由于此时热负荷较大耗功率在24kW，而西侧仅为8kW。此时，西侧空调机组送风量大幅减小，但仍能达到规范要求的不低于5次的换气次数。由此可见，通过变频控制，在4层西侧空调机组风机能耗降低了67％；实测的数据表明对风机变频节能的效应在1～3层中也得到了很好体现，综合1～4层的实测数据，商厦仅冬季典型日空调风机的能耗比改造前减低了近40%。
图二：冬季典型日商厦4层空调机组电耗数据图
2.2对循环水泵实施变频控制的可预期节能效果
商厦配置有4台冷热水共用的循环水泵，3用1备，单台额定功率均为45KW、扬程40m，流量320m3/h。由于此次改造工程暂不涉及冷冻机房设备的改造，笔者本文仅对循环水泵实施变频控制的可预期效果予以论证。
商厦空调系统在冬季典型日一般使用一台电锅炉和一台水泵，运行时间为早9点～晚21点，对应的功率通过分项计量系统的记录分别为280KW和44KW。同时，可以发现该日空调水流量G平均值为313 m3/h，与水泵额定流量基本一致，而对应电锅炉开机时间段内平均的供、回水温差Δt仅为0.7℃，遠低于规范中推荐的不低于5℃的要求[3]。
流经空调末端设备的流量G和空调负荷Q存在如下关系：
Q=G·Δt·C·ρ (2)
公式中：Q-空调负荷，KW；
G-流经末端设备的流量，m3/h；
Δt-末端设备供回水温度差，℃；
C-水的比热，取4.2KJ/(kg·℃)
ρ-水的密度，取103 kg/ m3
此时空调负荷Q经计算为255.6KW。
分析，可以得到电锅炉冬季典型日的平均电热转换效率为：
η=Q/P=255.6/280=0.913(3)
其中，P——电锅炉的用电功率,KW；
显然，电锅炉的效率本身是基本正常，问题的关键在于水泵和电锅炉的不匹配。按公式（2），若设定正常Δt=5℃；那么此时的水泵理论流量应该为：
G=255.6*3600/(5*4.2*1*1000) =43.8m3/h
可见，实际需要的循环水泵流量远小于现有水泵流量，同时由于循环水泵的流量过高，致使锅炉的送水温度偏低，未能达到额定的60℃出水温度。在不更换循环水泵并确保锅炉所需最小循环水流量的前提下，若采用变频控制器线性减小水泵的流量，既可以使出水温度、供回水温差趋于合理，更可以实现大幅节约电耗。同时，若以回水温度55℃作为目标信号，设定Δt=5℃，采用温差控制法对系统的循环水泵进行恒温变频控制；当空调负荷Q变化时，如果温差Δt保持不变，则流量G随空调负荷的变化而按比例变化；这样，可以使水泵始终处于高功率因数的运转状态。
3、 对商场通风系统进行改造
原系统新风量的设计，仅考虑了夏季制冷工况，取值尚合理。但到过渡季和冬季时，无法通过大量利用新风来调节室内温度，这就凸显了系统的重大弊端。改造前商场室内风量平衡关系式： G3=G1+G2=G2+G4 则 G1=G4
从关系式可知改造前新风量G1等于门窗漏风量G4。由于商场门窗漏风非常有限，导致系统运行一段时间后室内正压过高，难以吸入新风。这样的运行方式是很不合理的，不能达到规范对新风量的要求，带来巨大的能源浪费。
改造后的商场空调通风系统如下图：
图四：改造后商场空调通风系统示意
对通风空调系统采取了以下措施：
商场1～4层增加独立排风系统PF，为了能够在过渡季节实现全新风运行，增加的排风机能满足不低于5次换气次数的要求；
在中央空调机组的新风吸入口和回风口分别加装电动调节风阀F1、F2，在排风机干管上加装电动调节风阀F3；电动阀由BA系统控制；
为满足过渡季节空调机组的全新风运行，空调机房的外墙玻璃窗户全部改造为新风百叶，其通风量满足最大新风进风要求；
通过BA控制系统对可变频空调机组、排风机实施组策略控制；并对各电动风阀实施开度控制，实现工况转换；
改造完成后，此时商场室内风量平衡关系式变为：
G3=G1+G2=G2+G4+G5
则 G1=G4+G5
在过渡季节和冬季，充分利用了室外低焓值新风G1，用于抵消商场内的大量热负荷，这样不仅大幅度提高室内的空气清洁度和舒适度，更实现了长达4个月以上时间的基本停开空调冷、热水机组和水循环系统，从而实现了非常好的节能效果。
总结
通过分项计量系统可以及时了解各能耗设备分项用电情况，提高管理效率，避免不合理的机组运行浪费；
通过对楼层中央空调机组的可变风量变频改造，实现中央空调机组的平均能耗下降达40%；若在下一阶段的改造中对空调循环水泵采用变频控制，能耗会有更大幅度的下降；
通过对商场通风系统的整体改造，实现了过渡季节和冬季的大部分时间空调系统的全新风运行，从而实现了空调冷热源及动力系统能耗的大幅度下降，节电达30%以上。
冷热源动力系统未能纳入BA系统控制，由于不能及时应对空调工况的转换，从而导致了一些额外的待机运行的能耗浪费。
通过典型工程改造的实践可以看出，对于大型商业建筑的空调系统进行节能改造，效果非常明显，具有非常好的推广价值和现实意义。
参考文献
[1] 龙维定. 上海同济大学. 上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析.暖通空调 1998.28（6）
[2] 中华人民共和国建设部.GB50189-2005公共建筑节能设計标准.北京：中国建筑工业出版社,2005
[3] 江森自控 Metasys系统设计手册〔M〕.北京:中国建筑工业出版社,2003
[4] 本文部分数据由上海腾天信息技术有限公司及南京金宸建筑设计有限公司金磊先生收集提供。
关键字：大型商业建筑，空调系统，分项计量系统，节能改造
中图分类号： TU831文献标识码：A
概述
笔者以某商厦空调系统改造工程为例，对该类建筑的空调改造的节能意义进行分析说明。商厦为1996年投入使用的大型综合性商场建筑，该建筑空调系统为典型的夏季供冷冬季供热设计，冷源为3台额定制冷量为1300KW的离心式冷水机组，热源为3台额定制热量为296KW的电热式热水锅炉，均采用低速大风管空调系统；
空调系统存在的主要问题
冷水机组、空调风机和水泵等设备的运行、维护不利，导致设备的效能大幅下降；
在过渡季和冬季营业区温度明显偏高，冬季有时非但不需供热，反而需要制冷；
以上问题造成冷水机组年运行时间长，系统的运营成本逐年升高，电能浪费极其严重；
空调系统节能改造措施
由于受到投资规模限制，此次改造基本不对冷热源设备进行较大调整，而是对冷热源设备工况进行优化。重点是对系统的管路及末端设备进行改造，同时增加相应的控制系统，具体措施如下：
1、对大型用电设备采用分项计量系统
本工程分项计量表具设计采用星型结构与6块数据转换网关相连，并将采集数据实时传输到数据采集中心，网络结构如图一。根据本工程主要空调系统设备的配置、服务区域和供配电回路的情况，将重点耗能对象进行归类，并为每台重点耗能设备对应安装计量电表，分项计量如表一：
监控对象 电表
数量 监控对象 电表
数量
冷水机组 3 排风机 4
冷却、冷冻
水泵 8 冷却塔
风机 1
电锅炉 3 空调箱 10
合计 29
图一：设备分项计量系统网络结构图表一：天山商厦空调设备分项计量明细表
通过该套计量系统的安装，远端客户可随时通过Internet访问数据中心，通过对实时数据的分析不仅可以随时发现建筑中突然出现的用能问题，而且可以捕捉到人工难以察觉的异常能耗问题，从而改善用能效率。
2、 应用交流变频控制技术降低空调动力设备能耗
大型商业建筑空调系统，随季节变化的冷热负荷与最大设计供冷热量存在着很大的差异，系统各部分80%以上时间是运行在非满载额定状态。应用交流变频技术对中央空调的末端空调风机箱、冷冻水泵等进行控制，从而使空调各子系统负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，从而改善空调的舒适性，更能到达节约大量电能，降低设备运行费用的目的。
2.1楼层中央空调风机的变频控制实施
在某商厦空调改造项目中，限于项目投资规模，一期改造先对楼层中央空调机组实施交流变频控制。商厦1～4层设计仍采用低速大风管全空气空调系统，每层东西两侧各为一个空调区域，所有8台空调机组均为变频控制。
工程采用美国江森的Metasys楼宇控制系统对中央空调机组进行控制，详细控制原理及流程[2]笔者不再敖述。经过对空调机组的变频控制，通过分项计量系统采集到的商场冬季典型日下午2点的实测数据，以4层为例，如下表二所示：
表二：商厦冬季典型日4层空调机组实际运行数据表
设备所处位置 电机原始运行频率(Hz) 电机实际运行频率(Hz) 额定功率（KW)) 实际运行功率（KW) 换气次数 实测室外温度(度) 实测营业区
温度(度)
四层西 50 30 30 8 6.1 3.2
23.3
四层东 50 46.4 30 24 9.4 23.2
结合下图二可以看出，4层东、西区室内温度基本相同，但东侧空调机组由于此时热负荷较大耗功率在24kW，而西侧仅为8kW。此时，西侧空调机组送风量大幅减小，但仍能达到规范要求的不低于5次的换气次数。由此可见，通过变频控制，在4层西侧空调机组风机能耗降低了67％；实测的数据表明对风机变频节能的效应在1～3层中也得到了很好体现，综合1～4层的实测数据，商厦仅冬季典型日空调风机的能耗比改造前减低了近40%。
图二：冬季典型日商厦4层空调机组电耗数据图
2.2对循环水泵实施变频控制的可预期节能效果
商厦配置有4台冷热水共用的循环水泵，3用1备，单台额定功率均为45KW、扬程40m，流量320m3/h。由于此次改造工程暂不涉及冷冻机房设备的改造，笔者本文仅对循环水泵实施变频控制的可预期效果予以论证。
商厦空调系统在冬季典型日一般使用一台电锅炉和一台水泵，运行时间为早9点～晚21点，对应的功率通过分项计量系统的记录分别为280KW和44KW。同时，可以发现该日空调水流量G平均值为313 m3/h，与水泵额定流量基本一致，而对应电锅炉开机时间段内平均的供、回水温差Δt仅为0.7℃，遠低于规范中推荐的不低于5℃的要求[3]。
流经空调末端设备的流量G和空调负荷Q存在如下关系：
Q=G·Δt·C·ρ (2)
公式中：Q-空调负荷，KW；
G-流经末端设备的流量，m3/h；
Δt-末端设备供回水温度差，℃；
C-水的比热，取4.2KJ/(kg·℃)
ρ-水的密度，取103 kg/ m3
此时空调负荷Q经计算为255.6KW。
分析，可以得到电锅炉冬季典型日的平均电热转换效率为：
η=Q/P=255.6/280=0.913(3)
其中，P——电锅炉的用电功率,KW；
显然，电锅炉的效率本身是基本正常，问题的关键在于水泵和电锅炉的不匹配。按公式（2），若设定正常Δt=5℃；那么此时的水泵理论流量应该为：
G=255.6*3600/(5*4.2*1*1000) =43.8m3/h
可见，实际需要的循环水泵流量远小于现有水泵流量，同时由于循环水泵的流量过高，致使锅炉的送水温度偏低，未能达到额定的60℃出水温度。在不更换循环水泵并确保锅炉所需最小循环水流量的前提下，若采用变频控制器线性减小水泵的流量，既可以使出水温度、供回水温差趋于合理，更可以实现大幅节约电耗。同时，若以回水温度55℃作为目标信号，设定Δt=5℃，采用温差控制法对系统的循环水泵进行恒温变频控制；当空调负荷Q变化时，如果温差Δt保持不变，则流量G随空调负荷的变化而按比例变化；这样，可以使水泵始终处于高功率因数的运转状态。
3、 对商场通风系统进行改造
原系统新风量的设计，仅考虑了夏季制冷工况，取值尚合理。但到过渡季和冬季时，无法通过大量利用新风来调节室内温度，这就凸显了系统的重大弊端。改造前商场室内风量平衡关系式： G3=G1+G2=G2+G4 则 G1=G4
从关系式可知改造前新风量G1等于门窗漏风量G4。由于商场门窗漏风非常有限，导致系统运行一段时间后室内正压过高，难以吸入新风。这样的运行方式是很不合理的，不能达到规范对新风量的要求，带来巨大的能源浪费。
改造后的商场空调通风系统如下图：
图四：改造后商场空调通风系统示意
对通风空调系统采取了以下措施：
商场1～4层增加独立排风系统PF，为了能够在过渡季节实现全新风运行，增加的排风机能满足不低于5次换气次数的要求；
在中央空调机组的新风吸入口和回风口分别加装电动调节风阀F1、F2，在排风机干管上加装电动调节风阀F3；电动阀由BA系统控制；
为满足过渡季节空调机组的全新风运行，空调机房的外墙玻璃窗户全部改造为新风百叶，其通风量满足最大新风进风要求；
通过BA控制系统对可变频空调机组、排风机实施组策略控制；并对各电动风阀实施开度控制，实现工况转换；
改造完成后，此时商场室内风量平衡关系式变为：
G3=G1+G2=G2+G4+G5
则 G1=G4+G5
在过渡季节和冬季，充分利用了室外低焓值新风G1，用于抵消商场内的大量热负荷，这样不仅大幅度提高室内的空气清洁度和舒适度，更实现了长达4个月以上时间的基本停开空调冷、热水机组和水循环系统，从而实现了非常好的节能效果。
总结
通过分项计量系统可以及时了解各能耗设备分项用电情况，提高管理效率，避免不合理的机组运行浪费；
通过对楼层中央空调机组的可变风量变频改造，实现中央空调机组的平均能耗下降达40%；若在下一阶段的改造中对空调循环水泵采用变频控制，能耗会有更大幅度的下降；
通过对商场通风系统的整体改造，实现了过渡季节和冬季的大部分时间空调系统的全新风运行，从而实现了空调冷热源及动力系统能耗的大幅度下降，节电达30%以上。
冷热源动力系统未能纳入BA系统控制，由于不能及时应对空调工况的转换，从而导致了一些额外的待机运行的能耗浪费。
通过典型工程改造的实践可以看出，对于大型商业建筑的空调系统进行节能改造，效果非常明显，具有非常好的推广价值和现实意义。
参考文献
[1] 龙维定. 上海同济大学. 上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析.暖通空调 1998.28（6）
[2] 中华人民共和国建设部.GB50189-2005公共建筑节能设計标准.北京：中国建筑工业出版社,2005
[3] 江森自控 Metasys系统设计手册〔M〕.北京:中国建筑工业出版社,2003
[4] 本文部分数据由上海腾天信息技术有限公司及南京金宸建筑设计有限公司金磊先生收集提供。